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基于差分吸收光谱技术的nh3浓度反演算法研究近年来，NH3浓度反演方面的研究受到了广泛的关注。
NH3是指氨气，是一种非常重要的气态污染物，对环境和人类健康造成了严重的影响。
由于氨气的浓度受到地理位置、天气等自然因素的影响，实时监测部署地点的空气中的NH3浓度变化，具有很大的意义。
差分吸收光谱技术是检测NH3的一种测量方法，它可以捕捉空气中的NH3浓度，并可以准确反演出实际浓度。
近年来，随着差分吸收光谱技术的发展，采用差分吸收光谱技术进行NH3浓度反演也得到了广泛的应用。
针对NH3浓度反演，研究者们提出了一系列的算法，其中包括常规化迭代算法、基于多重反演的算法、基于矩阵的算法等。
这些算法不仅能够准确反演出实际的NH3浓度，而且能够有效地解决污染物浓度反演中的各种技术问题。
常规化迭代算法通过不断更新反演结果，来改善反演效果；基于多重反演的算法利用彼此紧密耦合的多个变量之间的关系，以达到最小均方根误差；基于矩阵的算法可以更为准确地反演出抗差性变量的浓度结果。
此外，随着计算机技术的发展，大数据的应用也对NH3浓度反演算法的提升产生了非常重要的影响。
在大数据的帮助下，研究者们开发出了可以实现实时测量的算法，并且利用深度学习技术提升了反演的准确性。
因此，基于差分吸收光谱技术的NH3浓度反演算法研究不仅在实时测量技术方面有了重大进展，而且可以有效解决现有反演技术技术问题，具有非常重要的实际意义。
针对NH3浓度反演，为了取得更好的反演结果，研究者们还需要继续进行更深入的研究，比如可以将计算机技术和机器学习技术应用到NH3浓度反演算法中，进一步提高空气污染物浓度反演的精度。
总之，基于差分吸收光谱技术的NH3浓度反演算法的研究具有很强的实用价值，有助于实现精准检测。
在未来，研究者们将继续开发更有效、更准确的反演算法，以更好地捕捉空气中NH3的浓度变化，为有效控制空气污染提供重要的理论支持。
光第22卷第8期2002年8月文章编号:025322239(2002)0820957205学学报Vol.22,No.8August,2002差分吸收光谱法测量大气污染的测量误差分析周斌刘文清齐锋李振璧崔延军(中国科学院安徽光学精密机械研究所环境监测研究室,合肥230031)3摘要:差分吸收光谱技术被广泛地应用于测量大气中微量元素的浓度,尽管该技术利用最小二乘法来反演待测气体的浓度,能够得到很高的测量精度。
但是,由于仪器本身的噪声以及测量波段其它气体的干扰等,使得仪器的测量有一定的误差,而且上述因素还决定着仪器的测量下限。
对差分吸收光谱方法的测量误差以及引起误差的原因作了详细的分析。
关键词:差分吸收光谱;误差分析;环境监测;相对测量误差中图分类号:O433.5+1文献标识码:A1引言差分光学吸收光谱(DOAS)方法最初由[1,2][3]Platt和Noxon等人在20世纪70年代提出,该方法是利用光线在大气中传输时,大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些微量气体在大气中的浓度,经过一段时间的发展,目前已渐渐成为进行大气污染模式研究和大气污染监测的常用方法之一。
差分吸收光谱方法具有一些传统监测方法所无法比拟的优点,一套差分吸收光谱系统的监测范围很广,可直接监测方圆几平方公里的范围,所以测量结果比点测量仪器更具有代表性;该方法采用非接触方式,在测量时不会影响被测气体分子的化学特性,这特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度,比如NO3、BrO和OH等;差分吸收光谱方法的测量周期短、响应快,并且一台装置可同时测量几种不同气体的质量浓度,这对研究大气化学变化和污染物之间相互转化规律有着非常重要的意义。
差分吸收光谱方法有很低的测量下限,但是系统的噪声、测量波段的选择等因素对测量结果会有很大的影响,给仪器测量带来较大的误差,本文就对差分吸收光谱方法的测量误差,以及引起误差的原因做一详细的分析。
差分吸收光谱法烟气在线监测技术的开题报告一、研究背景及意义烟气污染对环境和人类健康造成了严重的危害，因此对烟气排放的监测和控制变得越来越重要。
差分吸收光谱法（DOAS）是一种基于光学原理的烟气在线监测技术，可对烟气中的污染物进行快速、准确、非侵入式的测量，并具有不受气体基质影响、适应复杂气体混合物、运行成本低等优点。
该技术已广泛应用于烟气排放、环境空气质量、地表大气污染等领域，成为烟气在线监测的重要手段之一。
二、研究内容本次研究将基于DOAS技术，设计并实现一套烟气在线监测系统。
具体研究内容包括：1.梳形光谱仪的选择及优化：DOAS技术的核心是梳形光谱仪，因此需要对不同类型的梳形光谱仪进行比较和优化，以得到最佳的光谱分辨率和信噪比。
2.反演算法的研究：针对不同污染物的特征吸收线，设计并优化反演算法，实现对多种污染物的定量检测。
3.系统硬件及软件设计：设计系统硬件电路及选材等方案，并编写控制软件与反演算法进行集成。
三、研究方法1.文献调研：对DOAS技术相关文献及国内外已有的研究进行调研。
2.光谱仪优化：选择不同类型的梳形光谱仪进行比较，优化最佳光谱分辨率和信噪比并验证。
3.污染物特征线提取：在已有文献基础上，提取不同污染物的特征吸收线。
4.反演算法优化：根据特征吸收线设计反演算法，并进行优化验证。
5.系统硬件及软件设计：按照硬件选材方案和反演算法编写相应的控制软件，实现系统调试和完善。
四、预期成果本研究预期可以设计出一套基于DOAS技术的烟气在线监测系统，重点达到以下预期成果：1. 实现对多种污染物的在线监测，如二氧化硫、氮氧化物等。
2. 搭建一套稳定、可靠的烟气在线监测系统，具有高稳定性和高检测灵敏度。
3. 对算法进行优化和验证，进一步提高系统的准确性和可靠性。
4. 技术推广，为烟气在线监测及其它领域的应用提供新思路和技术支持。
五、研究进度安排第一年：1. 文献综述、选型和实验准备（3个月）2. 梳形光谱仪选型及优化（3个月）3. 污染物特征线提取、反演算法设计及优化（6个月）第二年：1. 硬件选材方案设计（3个月）2. 调试硬件电路及控制软件编写（6个月）3. 系统完善及验证实验（3个月）第三年：1. 整理论文，准备答辩（6个月）六、研究经费预算本研究所需经费主要包括设备采购（梳形光谱仪、控制器等）、实验材料费、差旅费等，预算总额控制在80万元以内。
温度对NO_2差分吸收光谱特性影响的实验研究
邵理堂;汤光华;许传龙;王式民
【期刊名称】《热能动力工程》
【年(卷),期】2008(23)4
【摘要】差分吸收光谱法（DOAS）应用于固定污染源烟气排放监测时，烟气温度对NO2的紫外可见吸收特性影响较大：在自制的试验台上，对NO2气体在温度30～390℃范围内的差分吸收光谱特性进行了实验研究。
结果表明：温度在30～150气范围内，差分吸收截面随温度的升高呈现跳跃性变化，但其谱线形状不变；温度在150～270℃之间时，温度升高使得差分光谱峰值减小、谷值增大；当温度高于270℃后，差分吸收谱线的精细结构发生明显变化，峰谷数目增多。
【总页数】4页(P404-407)
【关键词】差分吸收光谱法;二氧化氮;吸收截面;温度影响
【作者】邵理堂;汤光华;许传龙;王式民
【作者单位】东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O433
【相关文献】
1.机载多轴差分吸收光谱技术获取对流层NO_2垂直柱浓度的研究 [J], 徐晋;谢品华;司福祺;李昂;刘文清
2.CS2气体紫外差分吸收光谱的温度特性研究 [J], 郑海明;赵朋朋
3.差分吸收光谱法监测NO_2浓度技术研究 [J], 蔡小舒;李树荣;付敬业;赵志军
4.温度对二氧化硫紫外差分吸收特性影响的实验研究 [J], 郑海明;蔡小舒
5.广州亚运期间对流层NO_2和SO_2地基多轴差分吸收光谱仪测量研究 [J], 李先欣;刘文清;司福祺;周海金;徐晋;窦科
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文章编号:100425929(2007)0120070204非线性回归法确定差分吸收光谱缓变结构提高N O2浓度反演精度Ξ左浩毅,杨经国(四川大学物理学院,成都 610064)摘 要:分析了差分吸收光谱法反演大气二氧化氮(NO2)浓度过程中任意选择缓变吸收结构表达式对反演结果的影响。
传统的二氧化氮浓度反演中直接用比值光谱的低阶拟合曲线代替缓变吸收信息,阶次选择任意,数值模拟发现这种方法会给反演结果带来很大的误差(最大在40%以上)。
本文提出以二氧化氮吸收截面为参考,通过对比值光谱的非线性回归,确定缓变吸收信息的表达式。
此方法避免了拟合多项式选择的任意性,提高了二氧化氮浓度反演的准确性,数值模拟结果误差不超过1%,并以此获得了合理的二氧化氮浓度实测值。
关键词:差分吸收光谱;二氧化氮吸收截面;非线性回归;NO2浓度中图法分类号:O433151 文献标识码:ADetermination of the Slow-variation Absorption Structure by Nonlinear R egression Method for Improving the Precision of R etrieved N O2Density in AtmosphereZUO Hao2yi,YAN G Jing2guo(Depart ment of Physics,S ichuan U niversity,Chengdu610064,Chi na)Abstract:The influence of different slow-variation fitted curves on the retrieve of NO2density by DOAS is analyzed in this paper.It is discovered that random choice of the fitted curve may bring great error to the result,the greatest error exceed40%to the numerical simulation.A new method searching for the slow-variation absorption structure through nonlinear regression is displayed,by which random choice of polynomial is avoided.By this method the precision of retrieved NO2density is improved obviously.Finally,the real NO2vertical column density (VCD)of Chengdu in May15th,2006.is retrieved.K ey w ords:differential optical absorption spectroscopy;slow-variety absorption引言大气中二氧化氮(NO2)浓度的监测越来越受到人们的重视,目前已有多种方法对其进行测量,其中差分吸收光谱法(DOAS)由于能对二氧化氮浓度进行实时监测,且不会形成任何新的污染而到了广泛应用[1-4]。
采用DOAS进行二氧化氮浓度反演选取波段一般为430-450nm,这是因为在该波段范围内可不考虑除NO2外其它气体的消光[5]。
设参考光谱强度为I0(λ),经过一定长度(L)空气柱后光谱仪接收光强为I(λ) (样品光谱),根据比尔-朗伯定律(Beer-Ξ收稿日期:2006209207基金项目:国家自然科学基金资助(编号:60478044)2007年3月THE JOURNAL OF L IGHT SCATTERIN G March12007Lambert),I(λ)/I0(λ)=k(λ)exp[-LτA(λ)]exp[-LτR(λ)]exp[-Lσ0(λ)N](1)式中σ0(λ)是N O2气体的分子在波长λ处的吸收截面。
N是二氧化氮气体分子在该空气柱内的密度,τA(λ)和τR(λ)分别是波长λ处的米散射和瑞利散射的光学厚度。
当以太阳,月亮,星星等为光源,L可由大气光学质量m代替,N表示整层大气中二氧化氮的垂直柱体密度。
k(λ)为光谱仪的强度响应函数。
在0.43-0.45um 范围内,τA(λ),τR(λ)和k(λ)随波长的改变较为缓慢,而σ0(λ)的值随波长的不同变化非常剧烈。
差分吸收光谱法采用低阶曲线拟合来代替光谱中的缓变成分,即(1)式中k(λ)exp[-LγA (λ)]exp[-LτR(λ)]可以用比值光谱I(λ)/I0 (λ)的低阶多项式P(λ)近似代替,将其除去,只保留二氧化氮快变吸收,然后采用最小二乘法可以获得N的大小[6-9]。
在反演过程中,低阶拟合曲线P(λ)的选择目前尚无统一标准(通常为二阶至五阶多项式)。
本文以误差分析为基础,基于NO2吸收截面对比值光谱进行非线性回归确定差分吸收光谱缓变结构,进一步减小了拟合误差,并以此反演获得成都地区大气二氧化氮浓度。
1 用比值光谱低阶拟合曲线代替缓变吸收结构给反演结果带来的误差分析1.1 任意选择缓变曲线给反演结果造成的误差分析数值模拟发现,任意选择缓变吸收信息的低阶多项式会给反演结果带来较大的误差,且阶次不同,反演结果有明显差异。
变换(1)式为,R0(λ)=T(λ)exp[-Lσ0(λ)N](2)其中R0(λ)=I(λ)/I0(λ),T(λ)=k(λ)exp[-LτA(λ)]exp[-LτR(λ)]。
改写(2)式为,ln[T(λ)/R0(λ)]=L Nσ0(λ)(3)令k(λ)=ln[T(λ)/R0(λ)],上式变为,k(λ)=L Nσ0(λ)(4)注意到对某一光谱波长点λref有,k(λref)=L Nσ0(λref)(5)以(4)式除以(5)式得,k(λ)/k(λref)=σ0(λ)/σ0(λref)(6)(6)式右端为在λref处归一化了的二氧化氮吸收截面。
可以看出,除去其它所有缓变吸收信息,只保留二氧化氮吸收,对数比值光谱k(λ)/k (λref)应恒等于归一化后的二氧化氮吸收吸收截面。
简单的用R0(λ)的低阶拟合多项式P(λ)代替缓变吸收结构T(λ),P(λ)和光谱缓变吸收结构T(λ)之间可能存在较大的差别,P(λ)拟合阶次不同,差别也将有所不同,使(6)式两端的标准差较大,给反演结果带来较明显的误差。
以2006年5月15日18:51所测太阳光谱为例,将原始比值光谱R0(λ)除以其3阶多项式所获得的差分比值光谱与二氧化氮吸收截面的对比如图1所示,二者在439.8nm处归一化。
由图1可见,由此获得的差分比值光谱与吸收截面存在较大的差别。
1.2 非线性回归的方法确定比值光谱缓变结构通过以上分析可知在原始比值光谱R0(λ)的基础上可设T(λ)为某一类型非线性函数(多项式,对数,指数等),按照(6)式进行非线性回归,以确定T(λ)中的各个系数,从而确定T(λ)的具体表达式。
以2006年5月15日18:51采集的太阳光谱为例,分别设其缓变吸收函数T (λ)为2,3,4阶多项式:T(λ)=cλ2+dλ+eT(λ)=bλ3+dλ2+dλ+eT(λ)=aλ4+bλ3+dλ2+dλ+e 非线性回归中,以(6)式两端标准差δ最小为判据,确定多项式的阶数以及多项式各参数。
实际回归结果发现,对上述光谱,当T(λ)=4.5λ3-5.9λ2+2.6λ-0.4时,(6)式两端误差最小(0.032)。
将原始比值光谱除以T (λ)后所得的差分比值光谱与二氧化氮吸收截面的对比图如图2所示(二者在439.8nm 处归一化),与图1相比,二者相关性大为提高。
a.The unitary absorption cross sectionb.The unitary differential ratio spectrumFig.1 T h e absorption cross section and th e di fferenti al ratio sp ectrum w hich is got b y dividing th e third-ord er polynomiala.The unitary absorption cross sectionb.The unitary differential ratio spectrum Fig.2 The absorption cross section and the differential ratio spectrum which is got by regress1.3 实测二氧化氮浓度的反演以2006年5月15日正午时分的太阳光谱为参考,依据上述方法确定光谱中的缓变吸收结构后,反演了当日黄昏时候成都地区的大气二氧化氮垂直柱体密(VCD )。
的表达式以及反演的二氧化氮浓度见表1。
T able 1 The V CD of N O 2of Chengdu at m ay 15th ,2004,and the related results光谱采集时间差分吸收光谱与吸收截面之间的标准差慢变函数T (λ)二氧化氮浓度(×1016molec/cm 2)18:340.05821.3λ2-20.5λ+5.5 1.7618:460.034 4.7λ3-6.2λ2+2.7λ-0.4 2.1118:490.0350.178λ-1.82.0118:510.032 4.5λ3-5.9λ2+2.6λ-0.4 1.8319:020.0304.8λ3-6.3λ2+2.8λ-0.3 1.882007年3月THE JOURNAL OF L IGHT SCATTERIN G March 120072 结论在二氧化氮浓度反演中,用比值光谱0(λ)的低阶拟合多项式代替光谱中的缓变吸收结有可能给反演结果带来明显误差,从数值模拟的结果看误差值最大可达40%以上;且选择不同阶次低阶多项式,所得结果之间有明显差别。
本文提出以二氧化氮吸收截面为参考,对实测差分比值光谱进行非线性回归,以确定其缓变结构,进而进行NO2浓度反演。
数值模拟的最佳结果误差达到1%,以此获得的NO2浓度值与实际情况更为接近。
参考文献:[1] 倪永年等.比值-导数法同时测定污染水中的苯酚和苯胺[J].光谱学与光谱分析,2004,24[1]:118.[2] 黄锡全等.博物馆展厅与库房空气中有害气体的测定与除去研究[J].光谱学与光谱分析,1999,19[5]:742.[3] Hofman D,et al.Intercomparison of UV/visible spectrometers for measurements ofstratospheric NO2for the network for thedetection of stratospheric change[J].G eo2phys.Res.1995,100:16765.[4] Hans Edner,et al.Differential absorptionoptical spectroscopy system for urban atmo2spheric pollution monitoring[J].Appl.Opt.1993,32(3):327.[5] 周斌等.用太阳光谱测量空气中NO2浓度的方法研究[J].物理学报,2000,49[12]:2057.[6] Solomon S,et al.On the role of nitrogendioxide in the absorption of solar radiation[J].G eophys.Res.1999,104(D10):12047.[7] 周斌等.空气中NO2浓度的太阳光谱法研究测量[J].量子电子学报,2000,17[2]:174.[8] Falko Lohberger,et al.Ground-basedimaging differential optical absorption spec2troscopy of atmospheric gases[J]..Appl.Opt.2004,42(24):4711.[9] 魏合理等.用太阳光谱遥测大气污染气体NO2含量[J].遥感学报,2001,5[3]:220.。
